16 października 2021



Technologia spawania ciężkich konstrukcji aluminiowych metodą MIG
Najczęstszą wadą, będącą zmorą spawaczy zajmujących się spawaniem aluminium MIG, są pory wynikające ze złego przygotowania do spawania, zbyt dużej wilgotności otoczenia i nieodpowiedniego doboru drutu (nieodgazowanego próżniowo).
Istotnym elementem, pozwalającym na poprawne wykonanie spoin, jest przygotowanie i jakość miejsca pracy spawacza. Hala, na której odbywa się proces spawania aluminium, powinna być bardzo czysta i posiadać dobrą wentylację. W powietrzu nie może unosić się jakikolwiek pył. Elementy pomocnicze używane podczas procesu, takie jak np. tarcze szlifierskie, muszą być specjalnie przeznaczone do aluminium. Niedopilnowanie tych elementarnych zasad może skutkować pojawieniem się w spoinie różnego rodzaju wtrąceń i zanieczyszczeń. Następnym czynnikiem jest sam sprzęt używany przez spawacza. Do tego typu prac muszą to być najwyższej jakości narzędzia. W spawaniu MIG regulujemy napięcie, prąd oraz indukcyjność. Topienie łukiem elektrycznym polega na fizycznym kontakcie gorących gazów z podłożem, a grzanie odbywa się poprzez przewodnictwo cieplne i zależy od wielkości jeziorka spawalniczego i czasu przytrzymania jeziorka w danym miejscu. Do topienia służy prąd spawania, który nie zależy od przewodności cieplnej, tylko od grubości materiału. Do grzania służy napięcie, które przy spawaniu w pozycjach przymusowych metodą zwarciową dla stali nierdzewnej o małej przewodności cieplnej teoretycznie powinno wynosić 15 V, przy spawaniu stali czarnej 20 V, a przy spawaniu gołym drutem aluminium o dużej przewodności cieplnej nawet do 24 V. Tak więc: prąd spawania ustawiamy do grubości materiału, a napięcie do przewodności cieplnej materiału.
Spawanie czystym argonem możliwe jest tylko w pozycji naściennej napięciem 22,8 V +- 0,7 V. Jak widać, spawanie czystym argonem nie jest odpowiednie do spawania MIG stopów aluminium.
Przy spawaniu grubościennego aluminium w mieszance Argon-Hel w pozycji pionowej ustawiamy 22,7 V, w pozycji sufitowej ustawiamy 23,5 V, a w pozycji naściennej 24,5 V. W pionie ustawiamy prędkość podawania drutu 10m/min, a w pozycji sufitowej i naściennej 11m/min.
Przy tej samej szybkości podawania drutu, w zależności od szybkości spawania, zmienia się prąd spawania.
W pozycji naściennej, przy zmianie szybkości spawania od 4,4 – 6,3 m/min, stosunek prądu do szybkości spawania zmienia się od 37-27 A x min/m.
W pozycji sufitowej, przy zmianie szybkości spawania od 3,2-6,3m/min, stosunek prądu do prędkości spawania zmienia się od 58-29 A x min/m.
W pozycji pionowej, przy zmianie prędkości spawania 2,4-33m/min, stosunek prądu do prędkości spawania zmienia się od 73-51 A x min/m.
Zakosy w pionie są tylko o 10% większe i prawie równe wolnemu wylotowi elektrody, przy drucie o średnicy 1,2 mm, nie tłumaczy to całkowicie dużego stosunku prądu spawania (prąd topi) do prędkości spawania w pionie.
Dokładność stabilizacji prądu przy spawaniu aluminium, nawet przy spadku napięcia w sieci, nie może przekraczać więcej niż 0,5 V. Taką dokładność stabilizacji napięcia, przy polskich warunkach sieci energetycznej, najlepiej zapewniają spawarki firmy Fronius. Indukcyjność służy do regulacji odprysków i zależy od grubości drutu i pozycji spawania. Wynika z tego, że tradycyjne spawarki nie są w stanie spełnić tych warunków. Z tych powodów do spawania aluminium najlepsza jest spawarka impulsowa, a zwłaszcza z podwójnym pulsem (jeden do ogrzania i odrywania małych kropli, a drugi do zatrzymywania krystalizacji i rozbudowywania struktury na boki) /8/.
We wszelkich półautomatach spawalniczych, wyposażonych w mierniki umożliwiające odczyt prądu spawania i napięcia łuku, przystosowanych do spawania stopów aluminium (rolki, prowadnice drutu – do stopów aluminium) należy przy podajniku stosować czyściki do drutu spawalniczego. Nie mozna używać tu płynu czyszczącego. Po zakończeniu pracy drut powinniśmy wyjąć z podajnika i zabezpieczyć go w worku foliowym do następnego dnia w magazynie z materiałami spawalniczymi.

Wytyczne do spawania aluminium
W przeciwieństwie do stali, na której przy podgrzaniu tworzą się nalotowe barwy tlenkowe, pozwalające określić temperaturę podgrzania i wielkość strefy wpływu ciepła, aluminium nie zmienia barwy aż do osiągnięcia temperatury topnienia. Właściwą temperaturę miejsca spawania określa się po lustrzanym połysku tego miejsca /1/.
Przewodność cieplna, wynosząca 200 W/(m·K) (dla stali – 58 W/(m·K)), wymaga użycia skupionych źródeł ciepła.
Na skutek zbyt małej lub zbyt dużej energii liniowej, braku płyty wybiegowej lub nieszlifowania początków i zakończeń ściegów, w spoinie, a szczególnie w kraterze, mogą wystąpić pęknięcia złączy aluminiowych. W przypadku mikropęknięć i pęknięć w kraterze należy dobrać lepszej jakości stopiwo zawierające pierwiastki powodujące rozdrobnienie kryształów (stopiwa amerykańskie lub włoskie). Aluminium ma tendencję do porowatości, wywołaną różnicą rozpuszczalności wodoru w metalu ciekłym (duża rozpuszczalność wodoru) i w metalu zakrzepłym. Podczas chłodzenia wodór wydziela się w postaci pęcherzy, pogarszając własności mechaniczne złącza. Źródłem wodoru może być zarówno wilgoć z powietrza, wilgoć materiałów podstawowych, jak również tłuszcze i smary. Powodem porowatości mogą być także gazy uwięzione w czasie wytapania stopu. Duża przewodność cieplna aluminium sprawia, że ciekły metal szybko się chłodzi i rozpuszczony gaz ma zbyt mało czasu, aby się wydostać do atmosfery. Dodatek magnezu w stopach sprzyja powstawaniu większej ilości pęcherzy. Ze względu na trudności w wyprowadzeniu gazów, stosuje się podkładki ze stali nierdzewnej o małej przewodności cieplnej. Z uwagi na duży skurcz i przewodnictwo cieplne, aby uniknąć przyklejeń i pęknięć, należy grubsze blachy podgrzać palnikiem acetylenowym (ze spalania powstaje mniej pary wodnej, która mogłaby się wykraplać w rowku). Przy grubościach blach większych niż 15 mm tylko stopiwo odgazowane próżniowo (amerykańskie lub włoskie) zabezpiecza nas przed porowatością.
Projektując połączenie spawane, należy pamiętać, że spoina aluminiowa w polskich warunkach może być słabsza od materiału rodzimego, a więc i wytrzymałość konstrukcji jest przez to niższa (Rys. 3 i 4). W USA nie dopuszcza się technologii, przy której spoina jest słabsza.
Aby zniwelować ten efekt, przy spawaniu cienkich blach można zaginać brzegi, a w przypadku konstrukcji naczep samochodowych stosuje się spęczanie końców blach i spawanie dwa razy grubszego, spęczonego brzegu elementu.
Dobierając wymiary elementów, trzeba pamiętać, że brzegi elementu spawanego bez podkładki przygotowujemy bez odstępu. Wymagane jest usunięcie tlenków tuż przed spawaniem przy pomocy szczotki drucianej rotacyjnej z drutami mosiężnymi lub ręcznej z drutami mosiężnymi na stalowych trzonkach.
Dalej, konieczna jest idealna czystość hali, gdzie spawane są stopy aluminium. Co więcej, hala ta winna być przeznaczone tylko i wyłącznie do spawania aluminium. Obecność pyłów tlenków żelaza czy pyłów po żłobieniu elektropowietrznym stali jest niedopuszczalna. Stanowiska spawalnicze należy odkurzać odkurzaczami przemysłowymi raz dziennie, po zakończeniu pracy. Miejsce, gdzie spawane są elementy, czyścimy i odtłuszczamy tuż przed spawaniem. Do odtłuszczania można użyć denaturatu i czystych, białych szmat (np. starej pościeli). Szmaty po użyciu należy odkładać na tace wykonane z cienkiej blachy ze stopów aluminium lub blachy nierdzewnej. Co ważne, odtłuszczać należy przed przyklejeniem podkładki. Ubrania spawaczy powinny być czyste, rękawice nie mogą być zatłuszczone. Spawanie powinno rozpocząć się jak najszybciej po przygotowaniu brzegów do spawania, a więc transport elementów konstrukcji gotowych do spawania nie jest wskazany.
Aluminium nie zmienia barwy wraz z temperaturą. Ze względu na wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej, odkształcenia spawalnicze są duże, więc aby im zapobiec można zastosować spawanie postępowo wsteczne oraz odpowiednią kolejność spawania konstrukcji. Przy większych grubościach, w celu zmniejszenia odkształceń i unikania przyklejeń, niezbędne jest podgrzewanie acetylenem (ze spalania powstaje mniej pary wodnej niż w przypadku podgrzewania propanem). Dla przykładu pręt aluminiowy o długości 1 m podgrzany do 100 °C wydłuża się o 2,4 mm, a przy podgrzaniu do 600 °C o 17 mm. Oprócz tego aluminium przy temperaturze powyżej 500 °C ma bardzo niskie własności wytrzymałościowe. Powyższe cechy uzasadniają użycie przyrządów spawalniczych przy produkcji aluminiowych elementów spawanych.
Na aparaturę chemiczną najlepiej nadają się stopy serii 1xxx (np.1060). Na ramy, ciężarówki i samoloty – stopy serii 2xxx (np.2014). Na materiały budowlane i codziennego użytku najlepsze są stopy serii 3xxx(np. 3003), na elektrody i druty – stopy serii 4xxx (np.4043), na zbiorniki ciśnieniowe, statki czy samochody – stopy serii 5xxx (np.5083), na konstrukcje odporne na korozję – stopy serii 6xxx (np.6061); do konstrukcji lotniczych stosuje sie również stopy serii 7xxx (np.7075)/5/. Stopy aluminium podane są w tabeli 1.